Квантовый атом

С 1910 года исследования Эйнштейна и других физиков расширяли сферу действия квантовой гипотезы, но ее час пробил в 1913 году, когда вышла статья молодого датчанина Нильса Бора (1885-1962). Статья, озаглавленная «О строении атомов и молекул», была опубликована в журнале Phylosophical Magazine. В ней Бор представил миру модель, известную нам сегодня как воровская модель атома.

Модель атома водорода Бора. Возможны только орбиты, обозначенные номерами n = 1, 2,3... Электрон при переходе с одной орбиты на другую испускает квант света.

В день выхода статьи Бор находился в Манчестере, он работал в лаборатории Эрнеста Резерфорда, экспериментально доказавшего, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, в котором сконцентрирована почти вся масса атома, и электронов, формирующих отрицательно заряженную оболочку. Вдохновленный Резерфордом, Бор разработал планетарную модель простейшего из всех атомов — атома водорода. Он состоит из одного положительно заряда в ядре и одного электрона, движущегося по орбите вокруг ядра. В модели Бора электрон вращается вокруг ядра по круговой орбите, так же как планеты вокруг Солнца или Луна — вокруг Земли.

Но между Луной и электроном имеется существенное различие: электрон — заряженная частица, а Максвелл предсказал, что при движении электрона по круговой орбите он должен испускать электромагнитные волны и, таким образом, терять энергию. Поэтому, в отличие от Луны, электрон, теряя энергию, должен перейти на спиральную орбиту и в конце концов упасть на ядро. Бор поступил так же, как и Планк с осцилляторами 13 лет назад, — чтобы выйти из тупика, он прибегнул к квантовой гипотезе. Бор предположил, что возможны только определенные орбиты, на которых электрон не излучает энергию. А при переходе на другую орбиту электрон испускает квант света частотой V, которая равна разнице энергии между орбитами ??, деленной на постоянную Планка (см. схему). То есть он применил к процессу испускания электронами света формулу Планка Е = hv, используя ?? вместо Е.

Модель атома Бора предполагала разрыв с классической физикой по трем фундаментальным аспектам. Во-первых, орбиты были квантованы на дискретные уровни энергии; во-вторых, электроны на стационарных орбитах не излучали электромагнитную энергию, и, наконец, излучение света было дискретным, в виде квантов. Только благодаря накопленному на тот момент опыту ученые не пришли в ужас от модели Бора, которая объясняла множество наблюдаемых явлений.

Начиная с момента появления модели Бора структура атома становится центральной проблемой квантовой теории. Другие именитые ученые, такие как Гейзенберг и Шрёдингер, примут у Планка, которому на тот момент было уже 55 лет, эстафету для решения этих новых задач.